Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) have been implicated in metabolic diseases, such as obesity, diabetes, and atherosclerosis, due to their activity in liver and adipose tissue on genes involved in lipid and glucose homeostasis. Here, we show that the PPARα and PPARγ forms are expressed in differentiated human monocyte-derived macrophages, which participate in inflammation control and atherosclerotic plaque formation. Whereas PPARα is already present in undifferentiated monocytes, PPARγ expression is induced upon differentiation into macrophages. Immunocytochemistry analysis demonstrates that PPARα resides constitutively in the cytoplasm, whereas PPARγ is predominantly nuclear localized. Transient transfection experiments indicate that PPARα and PPARγ are transcriptionally active after ligand stimulation. Ligand activation of PPARγ, but not of PPARα, results in apoptosis induction of unactivated differentiated macrophages as measured by the TUNEL assay and the appearance of the active proteolytic subunits of the cell death protease caspase-3. However, both PPARα and PPARγ ligands induce apoptosis of macrophages activated with tumor necrosis factor α/interferon γ. Finally, PPARγ inhibits the transcriptional activity of the NFκB p65/RelA subunit, suggesting that PPAR activators induce macrophage apoptosis by negatively interfering with the anti-apoptotic NFκB signaling pathway. These data demonstrate a novel function of PPAR in human macrophages with likely consequences in inflammation and atherosclerosis.

Estrogen-related receptors (ERRs) are orphan nuclear receptors activated by the transcriptional coactivator peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) coactivator 1α (PGC-1α), a critical regulator of cellular energy metabolism. However, metabolic target genes downstream of ERRα have not been well defined. To identify ERRα-regulated pathways in tissues with high energy demand such as the heart, gene expression profiling was performed with primary neonatal cardiac myocytes overexpressing ERRα. ERRα upregulated a subset of PGC-1α target genes involved in multiple energy production pathways, including cellular fatty acid transport, mitochondrial and peroxisomal fatty acid oxidation, and mitochondrial respiration. These results were validated by independent analyses in cardiac myocytes, C2C12 myotubes, and cardiac and skeletal muscle of ERRα−/− mice. Consistent with the gene expression results, ERRα increased myocyte lipid accumulation and fatty acid oxidation rates. Many of the genes regulated by ERRα are known targets for the nuclear receptor PPARα, and therefore, the interaction between these regulatory pathways was explored. ERRα activated PPARα gene expression via direct binding of ERRα to the PPARα gene promoter. Furthermore, in fibroblasts null for PPARα and ERRα, the ability of ERRα to activate several PPARα targets and to increase cellular fatty acid oxidation rates was abolished. PGC-1α was also shown to activate ERRα gene expression. We conclude that ERRα serves as a critical nodal point in the regulatory circuitry downstream of PGC-1α to direct the transcription of genes involved in mitochondrial energy-producing pathways in cardiac and skeletal muscle.

Peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) is a nuclear receptor that controls lipid and glucose metabolism and exerts antiinflammatory activities. PPARα is also reported to influence bile acid formation and bile composition. Farnesoid X receptor (FXR) is a bile acid-activated nuclear receptor that mediates the effects of bile acids on gene expression and plays a major role in bile acid and possibly also in lipid metabolism. Thus, both PPARα and FXR appear to act on common metabolic pathways. To determine the existence of a molecular cross-talk between these two nuclear receptors, the regulation of PPARα expression by bile acids was investigated. Incubation of human hepatoma HepG2 cells with the natural FXR ligand chenodeoxycholic acid (CDCA) as well as with the nonsteroidal FXR agonist GW4064 resulted in a significant induction of PPARα mRNA levels. In addition, hPPARα gene expression was up-regulated by taurocholic acid in human primary hepatocytes. Cotransfection of FXR/retinoid X receptor in the presence of CDCA led to up to a 3-fold induction of human PPARα promoter activity in HepG2 cells. Mutation analysis identified a FXR response element in the human PPARα promoter (α-FXR response element (αFXRE)] that mediates bile acid regulation of this promoter. FXR bound the αFXRE site as demonstrated by gel shift analysis, and CDCA specifically increased the activity of a heterologous promoter driven by four copies of the αFXRE. In contrast, neither the murine PPARα promoter, in which the αFXRE is not conserved, nor a mouse αFXRE-driven heterologous reporter, were responsive to CDCA treatment. Moreover, PPARα expression was not regulated in taurocholic acid-fed mice. Finally, induction of hPPARα mRNA levels by CDCA resulted in an enhanced induction of the expression of the PPARα target gene carnitine palmitoyltransferase I by PPARα ligands. In concert, these results demonstrate that bile acids stimulate PPARα expression in a species-specific manner via a FXRE located within the human PPARα promoter. These results provide molecular evidence for a cross-talk between the FXR and PPARα pathways in humans.

Abstract LXRα activation in macrophages enhances regression of atherosclerotic plaques in mice by regulating genes crucial for cholesterol efflux, cell motility and inflammation. Diabetes, however, impairs plaque regression in mice. LXRα is phosphorylated at serine 198 (pS198), which affects the expression of genes controlling inflammation, lipid metabolism and cell movement. We hypothesize that LXRα function is affected by hyperglycemia through changes in LXRα pS198. Indeed, macrophages cultured in diabetes relevant high glucose versus normal glucose display alterations in LXR-dependent gene expression and increased LXRα pS198. We therefore examined the consequence of disrupting LXRα phosphorylation (S196A in mouse LXRα) during regression of atherosclerosis in normal and diabetic mice. We find that phosphorylation deficient LXRα S196A reduces macrophage retention in plaques in diabetes, which is predicted to be anti-atherogenic and enhance plaque regression. However, this favorable effect on regression is masked by increased monocyte infiltration in the plaque attributed to leukocytosis in LXRα S196A mice. RNA-seq of plaque macrophages from diabetic S196A mice shows increased expression of chemotaxis and decreased expression of cell adhesion genes, consistent with reduced macrophage retention by LXRα S196A. Thus, the non-phosphorylated form of LXRα precludes macrophage retention in the plaque. Our study provides the first evidence for a physiological role of LXRα phosphorylation in modulating atherosclerosis regression. Compounds that prevent LXRα phosphorylation or ligands that induce the conformation of non-phosphorylated LXRα may selectively enhance macrophage emigration from atherosclerotic plaques.

Abstract The liver X receptor (LXR) is a key transcriptional regulator of cholesterol, fatty acid, and phospholipid metabolism. Dynamic remodeling of immunometabolic pathways, including lipid metabolism, is a crucial step in T cell activation. Here we explored the role of LXR-regulated metabolic processes in primary human CD4 + T cells, and their role in controlling plasma membrane lipids (glycosphingolipids and cholesterol) which strongly influence T cell immune signaling and function. Crucially, we identified the glycosphingolipid biosynthesis enzyme glucosylceramide synthase (UGCG) as a direct transcriptional LXR target. LXR activation by agonist GW3965 or endogenous oxysterol ligands significantly altered the glycosphingolipid:cholesterol balance in the plasma membrane by increasing glycosphingolipid levels and reducing cholesterol. Consequently, LXR activation lowered plasma membrane lipid order (stability), and an LXR antagonist could block this effect. LXR stimulation also reduced lipid order at the immune synapse and accelerated activation of proximal T cell signaling molecules. Ultimately, LXR activation dampened pro-inflammatory T cell function. Finally, compared to responder T cells, regulatory T cells had a distinct pattern of LXR-target gene expression corresponding to reduced lipid order. This suggests LXR-driven lipid metabolism could contribute to functional specialization of these T cell subsets. Overall, we report a novel mode of action for LXR in T cells involving the regulation of glycosphingolipid and cholesterol metabolism, and demonstrate its relevance in modulating T cell function.

Understanding the transition from fatty liver or steatosis to more advanced inflammatory and fibrotic stages of non-alcoholic fatty liver disease (steatohepatitis), is key to define strategies that alter or even reverse the progression of this pathology. The Liver X Receptor alpha (LXRα) controls hepatic lipid homeostasis and inflammation. Here we show that mice carrying a mutation that abolishes phosphorylation at Ser196 (S196A) in LXRα exhibit reduced hepatic inflammation and fibrosis when challenged with a high fat-high cholesterol diet, despite displaying enhanced hepatic lipid accumulation. This protective effect is associated with reduced cholesterol accumulation, a key promoter of lipid-mediated hepatic damage. Reduced steatohepatitis in S196A mice involves the reprogramming of the liver transcriptome by promoting diet-induced changes in the expression of genes involved in endoplasmic reticulum stress, extracellular matrix remodelling, inflammation and lipid metabolism. Unexpectedly, changes in LXRα phosphorylation uncover novel diet-specific target genes, whose regulation does not simply mirror ligand-induced LXR activation. These unique LXRα phosphorylation-sensitive, diet-responsive target genes are revealed by promoting LXR occupancy and cofactor recruitment in the context of a cholesterol-rich diet. Therefore, LXRα phosphorylation at Ser196 critically acts as a novel nutritional sensor that promotes a unique diet-induced transcriptome thereby modulating metabolic, inflammatory and fibrotic responses important in the transition to steatohepatitis.

Macrophages are key immune cells for the initiation and development of atherosclerotic lesions. However, the macrophage regulatory nodes that determine how lesions progress in response to dietary challenges are not fully understood. Liver X receptors (LXRs) are sterol-regulated transcription factors which play a central role in atherosclerosis by integrating cholesterol homeostasis and immunity. LXR pharmacological activation elicits a robust anti-atherosclerotic transcriptional program in macrophages that can be affected by LXRα S196 phosphorylation in vitro. To investigate the impact of these transcriptional changes in atherosclerosis development, we have generated mice carrying a Ser-to-Ala mutation in myeloid cells in the LDLR-deficient atherosclerotic background (M-S196ALdlr-KO). M-S196ALdlr-KO mice fed a high fat diet exhibit increased atherosclerotic plaque burden and lesions with smaller necrotic cores and thinner fibrous caps. These diet-induced phenotypic changes are consistent with a reprogramed macrophage transcriptome promoted by LXRα-S196A during atherosclerosis development. Remarkably, expression of several proliferation-promoting factors including the proto-oncogene FoxM1 and its targets are induced by LXRα-S196A. This is consistent with increased proliferation of plaque-resident cells in M-S196ALdlr-KO mice. Moreover, disrupted LXRα phosphorylation increases expression of phagocytic molecules resulting in increased apoptotic cell removal by macrophages, explaining the reduced necrotic cores. Finally, the macrophage transcriptome promoted by LXRα-S196A under dietary perturbation is markedly distinct from that revealed by LXR ligand activation, highlighting the singularity of this post-translational modification. Overall, our findings demonstrate that LXRα phosphorylation at S196 is an important determinant of atherosclerotic plaque development through selective changes in gene transcription that affect multiple pathways.

Atherosclerosis and obesity share pathological features including inflammation mediated by innate and adaptive immune cells. LXRα, a nuclear receptor, plays a central role in the transcription of inflammatory and lipid metabolic genes. LXRα is modulated by phosphorylation at serine 196 (LXRα pS196), however, the functional consequences of LXRα pS196 in hematopoietic cell precursors in atherosclerosis and obesity have not been investigated. To assess the importance of LXRa phosphorylation, bone marrow from LXRaWT and S196A mice was transplanted into Ldlr knock out mice, which were fed a high fat, high cholesterol diet prior to evaluation of atherosclerosis and obesity. Plaques from S196A mice showed reduced inflammatory monocyte recruitment, lipid accumulation, and macrophage proliferation. Expression profiling of CD68 cells from S196A mouse plaques revealed downregulation of proinflammatory genes and upregulation of mitochondrial genes characteristic of antiinflammatory macrophages. Furthermore, S196A mice had lower body weight and less visceral adipose tissue. This was associated with transcriptional reprograming of the adipose tissue macrophages and resolution of inflammation resulting in less fat accumulation within adipocytes. Thus, reducing LXRα pS196 in hematopoietic cells attenuates atherosclerosis and obesity by reprogramming the transcriptional activity of LXRα to an anti-inflammatory phenotype.